Er wordt al decennia gezocht naar donkere materie (DM), het onzichtbare en mysterieuze goedje waaruit 85% van alle materie in het heelal zou bestaan. Al die decennia zoeken heeft tot nu toe nog niets opgeleverd, hoewel er vele indirecte aanwijzingen zijn dat DM moet bestaan. DM lijkt maar op één manier te kunnen reageren en dat is via de zwaartekracht, de zwakste kracht van de vier bekende natuurkrachten (naast de elektromagnetische, sterke en zwakke kracht of wisselwerking). Natuurkundigen weten al heel lang dat al die natuurkrachten worden overgebracht door een krachtdrager of krachtvoerder, telkens een boson (een deeltje met een heeltallige spin): het foton voor de EM-kracht, het gluon voor de sterke kracht en de W- en Z-bosonen voor de zwakke kracht. De zwaartekracht zou via het graviton worden overgebracht, maar dat is een hypothese die nog niet is geverifieerd.
Voorstelling van de interactie van een hypothetisch donker foton (A’). Credit: APS/Alan Stonebraker.
Theoretisch zou DM echter ook kunnen reageren via een vijfde natuurkracht, een ‘donkere kracht’, die wordt overgebracht door een donker foton. Net zoals fotonen reageren met geladen deeltjes zouden donkere fotonen ook met deeltjes kunnen reageren en dan met hun massa als lading. Van de EM-kracht en zwakke kracht is bekend dat deze vanaf een bepaalde energie unificeren tot een ‘elektrozwakke’ kracht. Dat zou in theorie dan ook gelden voor de EM-kracht en de donkere kracht, die vanaf een bepaalde energie een elektrodonkere kracht kunnen vormen. Dat betekent op haar beurt weer dat gewone fotonen en donkere fotonen met elkaar kunnen reageren. Fotonen hebben geen massa, maar donkere fotonen zouden wel massa moeten hebben. En dat betekent dat ze in tegenstelling tot fotonen slechts over korte afstanden reageren, omdat ze snel vervallen in andere deeltjes. En da’s nu precies wat onderzoekers recent hebben uitgeplozen: kunnen we uit alle experimentele gegevens iets afleiden over het bestaan van donkere fotonen? En dan blijkt inderdaad dat die gegevens het bestaan van het donkere foton aannemelijk maken – aan het bestaan van het hypothetische foton wordt met een statistische betrouwbaarheid van 6,5 sigma de voorkeur gegeven dan aan het Standaardmodel (SM) van de elementaire deeltjes en de krachten daartussen (zie de grafiek hieronder, waarin voor het rode punt geldt dat SM daar het onderspit delft voor donkere fotonen met 6,5σ).
Credit: DOI: 10.48550/arxiv.2302.11126
Het donkere foton lijkt vooral een goede kandidaat te zijn om de bekende muon g-2 anomalie te verklaren. Daar hebben we hier vaker aandacht aan gegeven en het komt er op neer dat in het magnetische moment van het muon (een zwaarder zusje van het elektron) een kleine afwijking wordt geconstateerd, g-2 zou in theorie exact 2 moeten zijn, maar experimenteel wordt een andere waarden gemeten, g-2=0,00233184121. De laatste theoretische berekeningen geven aan dat g-2 0,00233183620 zou moeten zijn, maar dat wijkt behoorlijk af van de gemeten waarde. Maar als je het bestaan van donkere fotonen invoert dan komt g-2 uit op 0,00233183939 en dat ligt een stuk dichter bij de gemeten waarde.
Het verschil in g-2 tussen theorie (SM) en experimentele waarde. Credit: Ryan Postel/Fermilab/Muon g-2 collaboration.
Meer informatie over de donkere fotonen vind je in het vakartikel van N. T. Hunt-Smith et al, Global QCD analysis and dark photons, Journal of High Energy Physics (2023).
Anti-mass is the same as space and the absolute zero Kelvin has as constant. Mass is equal to time and is anti-zero Kelvin. To recognize dark matter, put mass either time or anti-zero Kelvin opposite. These two units cannot be unite!